Рабочая программа - Томский политехнический университет

Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Декан ТЭФ
______________ Кузнецов Г.В.
«____»__________2009 г.
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
И РАСЧЕТЫ НА ЭВМ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Рабочая программа для направления 140100 «Теплоэнергетика»
Факультет - Теплоэнергетический (ТЭФ)
Обеспечивающая кафедра - Атомных и тепловых электростанций (АТЭС)
Курс – 3
Семестр – 6
Учебный план набора 2005 года
Распределение учебного времени
Лекции
Практические занятия
Лабораторные занятия
Всего аудиторных занятий
Самостоятельная (внеаудиторная) работа
Общая трудоемкость
Экзамен
34
16
26
76
86
162
6 семестр
2009
часа (ауд.)
часов (ауд.)
часов (ауд.)
часов
часа
часа
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
Предисловие
1. Рабочая программа составлена на основе ОС по направлению 140100
(650800) «Теплоэнергетика» специальности 140101 (100500) «Тепловые
электрические станции»
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры
АТЭС
"____"____________2009 г.
протокол № _____
2. Разработчик: доцент кафедры АТЭС
______________ О.Ю. Ромашова
3. Зав. обеспечивающей кафедрой
_________________ Л.А. Беляев
4. Рабочая программа СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедрой
_________________ Л.А. Беляев
стр. 2 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ И РАСЧЕТ НА ЭВМ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
140101(100500)(с)
Каф. АТЭС ТЭФ
Доцент, к.т.н. Ромашова Ольга Юрьевна
Тел. (3822) 42-08-37, e-mail: [email protected]
Цель: формирование теоретических знаний по основам численных методов оптимизации и практических навыков их использования для решения на ЭВМ технико-экономических задач энергетики.
Содержание: общая формулировка оптимизационной задачи; целевая функция;
оптимальное решение; классификация задач и методов оптимизации; роль математического моделирования в решении оптимизационных задач; этапы разработки математической модели; особенности моделирования теплоэнергетических
процессов и объектов; основы методики технико-экономической оптимизации;
технико-экономические показатели ТЭС; современные методики оценки эффективности инвестиций; типичные задачи технико-экономической оптимизации
оборудования ТЭС; необходимые и достаточные условия существования минимума целевой функции; численные методы одномерной минимизации; общие
принципы многомерной «безусловной» оптимизации; методы слепого и направленного поиска; графическая иллюстрация и алгоритмы градиентных методов;
особенности и примеры их использования в оптимизации теплоэнергетических
установок; классификация задач и методов оптимизации с ограничениями; основные разделы математического программирования; задачи и методы линейного
программирования; методы «штрафных» и «барьерных» функций; метод динамического программирования; распределения тепловых и электрических нагрузок на
тепловых электростанциях; примеры оптимзационных задач.
Курс 3 (6 сем. - экзамен).
Всего 162 ч, в т.ч.: Лк.- 34 ч, Лб.- 26 ч., Пр.- 17 ч.
стр. 3 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Цель преподавания дисциплины
Дисциплина «Методы оптимизации и расчеты на ЭВМ техникоэкономических задач» относится к циклу естественно-научных дисциплин в образовательном стандарте Томского политехнического университета по направлению
140100 (650800) - «Теплоэнергетика» специальности 140101 (100500) – «Тепловые электрические станции».
Целью преподавания дисциплины является приобретение теоретических
знаний по основам численных методов оптимизации и практических навыков их
использования для решения на ЭВМ технико-экономических задач энергетики.
Тепловые электрические станции относятся к классу сложных технических систем, оптимизация которых дает значительный экономический эффект. В связи с
этим курсу оптимизации отводится значительная роль в математической подготовке студентов направления «Теплоэнергетика». Будущий специалист должен
уметь грамотно переводить на математический язык технические задачи энергетики, анализировать зависимость их решений от условий, режимов, параметров
реальных процессов и выбирать наилучшие варианты, т.е. обладать навыками математического моделирования и численной оптимизации .
После изучения данной дисциплины студент должен:
знать:
 основы методики технико-экономических расчетов теплоэнергетических объектов;
 численные методы одномерной и многомерной оптмимизации, в
том числе и с ограничениями;
иметь навыки:
 ;

 использования созданных математических моделей оборудования и
готовых программ оптимизации в технико-экономических расчетах;
1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины
После изучения данной дисциплины студент должен:
иметь представление:
 о методиках комплексной оптимизации реальных тепловых схем с конденсационными и теплофикационными турбоустановками;
стр. 4 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
 о тенденциях развития энергетики, связанной с производством электроэнергии
и теплоты;
 о специальных задачах математического программирования;
знать:
 основы методики технико-экономических расчетов теплоэнергетических объектов;
 численные методы одномерной и многомерной оптмимизации, в том числе и с
ограничениями;
иметь навыки:
 расчета термодинамических и теплофизических параметров воды и водяного
пара на ПЭВМ;
 технико-экономического выбора вариантов при проектировании оборудования
и тепловых схем;
 математического моделирования отдельных элементов тепловой схемы и теплоэнергетической установки в целом;
 использования численных методов одномерной и многомерной оптимизации
для выбора оптимальных параметров установок;
 составления алгоритмов и программ расчета оптимальных параметров паротурбинных установок на ПЭВМ;
 использования созданных математических моделей оборудования и готовых
программ оптимизации в технико-экономических расчетах.
1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо при изучении данной
дисциплины
Данная дисциплина основывается на дисциплинах естественно-научного
цикла, таких как:
 математика;
 физика;
 информатика.
стр. 5 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Содержание теоретической части - 34 часа аудиторных занятий
ВВЕДЕНИЕ
2 часа
Предмет и задачи курса. Структура курса. Рекомендуемая литература. Роль
математических методов в решении инженерных задач. Примеры оптимизационных задач в расчетах оборудования и тепловых схем ТЭС и АЭС. Общая формулировка оптимизационной задачи. Глобальный и локальный экстремумы. Целевая
функция. Примеры целевых функций. Линии уровня целевой функции. Графическое представление целевой функции. Оптимизируемые параметры. Ограничения.
Классификация задач и методов оптимизации.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ОПТИМИЗАЦИИ
4 часа
Понятие математической модели. Классификация математических моделей.
Этапы разработки математической модели. Особенности моделирования теплоэнергетических процессов и объектов. Существующие способы построения математических моделей и программ расчета ТЭУ. Определение термодинамических и
теплофизических свойств воды и водяного пара с помощью ПЭВМ. Численные
методы решения нелинейных уравнений с одним неизвестным. Отделение корней.
Метод половинного деления. Метод простой итерации. Использование численных
методов в тепловых расчетах теплоэнергетических установок. Численные методы
решения системы уравнений. Использование методов простой итерации и Зейделя
для выбора оптимальной последовательности расчета тепловых схем ТЭС и АЭС.
Аппроксимация функций. Численное интегрирование и дифференцирование
функций. Расчет оптимальных теплогидравлических характеристик теплообменников с использованием компьютерных программ.
МЕТОДЫ ОДНОМЕРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
6 часов
Классический метод мат. анализа поиска минимума функции одной переменной. Необходимые и достаточные условия минимума дифференцируемой
функции. Теорема Вейерштрасса. Пример решения одномерной задачи минимизации классическим методом. Стратегия поиска. «Удачная» тройка чисел. Унимодальные функции. Выпуклые функции. Условие Липшица. Классификация численных методов решения задач одномерной минимизации. Метод перебора. Метод поразрядного поиска. Методы исключения отрезков: методы дихотомии,
Фибоначчи и «золотого» сечения. Метод парабол. Сравнение прямых методов.
Погрешности отдельных методов. Методы одномерной минимизации, использустр. 6 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
ющие производные функции: метод средней точки, метод хорд, метод Ньютона,
метод кубической аппроксимации. Графическая иллюстрация методов и алгоритмы расчета. Сравнение методов. Методы минимизации многомодальных функций.
МЕТОДЫ МНОГОМЕРНОЙ БЕЗУСЛОВНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
8 часов
. Дифференцирование функций многих переменных. Градиент целевой
функции. Матрица Гессе целевой функции. Первый дифференциал целевой
функции. Вектор направления. Производная по направлению. Собственные значения и собственные векторы. Необходимое условие существования минимума
функции многих переменных. Достаточное условие существования минимума
функции многих переменных. Алгоритм классического метода поиска точки минимума функции многих переменных. Классификация численных методов многомерной безусловной минимизации. Общие принципы многомерной безусловной
минимизации. Методы для негладких функций: метод многогранника, методы
случайного поиска. Методы для гладких функций (методы спуска): методы нулевого порядка (прямые), методы первого и второго порядков. Оптимальная стратегия поиска. Возможные и приемлемые направления. Модельная схема решения
задачи методом спуска. Гарантия спуска при перемещении из одной точки в другую. Сходимость модельной схемы. Вычисление длины шага. Вычисление
направления поиска. Численное дифференцирование в расчетах градиента. Метод
координатного спуска и его варианты. Графическая интерпретация метода, его
достоинства и недостатки, область приложения. Алгоритм метода координатного
спуска и его особенности для некоторого вида функций. Пример использования
метода координатного спуска для выбора оптимальных параметров ТЭУ. Методы
первого порядка: градиентный метод, метод наискорейшего спуска, методы сопряженных направлений. Графическая интерпретация градиентного метода. Шаг
и направление спуска. Алгоритм градиентного метода. Сходимость метода. Пример использования градиентного метода для выбора оптимальных параметров
ТЭУ. Метод наискорейшего спуска. Графическая иллюстрация метода. Расчет
шага и направления спуска. Алгоритм метода наискорейшего спуска и примеры
использования. Метод сопряженных направлений. Приложение методов градиентного спуска к задачам выбора оптимальных параметров ТЭС.
ОСНОВЫ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
ПАРАМЕТРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС
6 часов
Технико-экономические показатели ТЭС. Условия сопоставимости вариантов в технико-экономических расчетах. Энергетическая сопоставимость вариантов. Экономическая сопоставимость. Приведение вариантов к равному энергети-
стр. 7 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
ческому эффекту. Приведение вариантов к равной надежности энергоснабжения.
Приведение вариантов к одинаковому уровню воздействия на окружающую среду. Экономическая сопоставимость вариантов. Расчетный период. Дисконтирование экономических показателей. Коэффициент дисконтирования. Норма дисконта. Методы оценки эффективности инвестиций в энергетические объекты. Простые и интегральные критерии эффективности инвестиций. Элемент потока реальных денег. Приток реальных денег. Отток реальных денег. Чистый дисконтированный доход. Интегральный срок окупаемости. Энергосберегающие мероприятия на ТЭС и их технико-экономические результаты. Алгоритм расчета эффективности энергосберегающих мероприятий на ТЭС. Выбор оптимальных техникоэкономических решений при малых изменениях в тепловой схеме ТЭС и АЭС.
Типичные задачи технико-экономической оптимизации оборудования и схем
ТЭС.
ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ
8 часов
Основные разделы математического программирования. Формулирование
общей задачи математического программирования. Классические задачи математического программирования: транспортная задача, задача о режиме работы
энергосистемы. Виды ограничений. Общая и основная задачи линейного программирования. Геометрическая интерпретация задачи линейного программирования. Методы решения задач линейного программирования. Симплексный метод. Приложение симплекс-метода для решения задачи наивыгоднейшего распределения нагрузок на ТЭC. Нелинейные задачи с ограничениями. Метод неопределенных множителей Лагранжа. Метод проекции градиента. Методы штрафных и
барьерных функций. Дискретное и целочисленное программирование. Методы
отсечения. Метод ветвей и границ. Основы методов динамического программирования. Геометрическая интерпретация методов и алгоритмы расчета. Использование методов целочисленного программирования в задачах сетевого планирования
и оптимального резервирования энергетического оборудования. Расчет оптимальных режимов работы ТЭЦ с использованием метода динамического программирования.
стр. 8 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
2.2. Содержание практического раздела
2.2.1. Тематика практических занятий - 16 часов аудиторных занятий
Практические занятия посвящены приобретению умений и навыков решения
задач по основным разделам курса, а также умения анализировать полученные
результаты. Тематика практических занятий:
 основы теории погрешности – 2 часа;
 метод половинного деления в поверочном расчете теплообменников– 2 часа;
 численные методы одномерной оптимизации – 2 часа;
 численные методы многомерной безусловной оптимизации – 2 часа;
 оптимизация диаметра паропровода острого пара – 2 часа;
 оптимизация недогрева в регенеративном подогревателе ТЭС– 2 часа;
 графическое решение задачи линейного программирования – 2 часа;
 распределение нагрузок между турбинами методом динамического программирования -2 часа.
2.2.2. Тематика лабораторных занятий - 26 часов аудиторных занятий
Лабораторные работы посвящены приобретению умений и навыков использования методов оптимизации в задачах численного моделирования теплоэнергетических установок. Тематика лабораторных занятий:
 Моделирование термодинамических процессов воды и водяного пара - 4 часа;
 Графическое исследование целевой функции на математической модели паротурбинных установок – 4 часа;
 Использование методов одномерной оптимизации в исследовании циклов паротурбинных установок.– 4 часа;
 Использование методов многомерной оптимизации в исследовании циклов паротурбинных установок.– – 4 часа;
 Оптимизация диаметра паропровода острого пара – 6 часов;
 Транспортная задача – 2 часа.
3. ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ




86 часов самостоятельной работы
Самостоятельное углубленное изучение студентом вопросов и тем теоретического раздела - 30 часов.
Оформление результатов лабораторных работ - 20 часов.
Подготовка к практическим занятиям и защита работ – 20 часов.
Реферат «Пример оптимизационной задачи, имеющей место в расчетах оборудования и параметров теплоэнергетических установок и систем» - 16 часов.
стр. 9 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
4. ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для текущего контроля в течение семестра предусматривается:
 оценка результатов выполнения и защиты индивидуальных расчетных заданий
и лабораторных работ;
 ритмичность и качество выполнения разделов курсового проекта;
 2 контрольные работы по материалам лекций и практических занятий с целью
проведения рейтинговой аттестации в конце каждого месяца (с 25 по 28 число).
В конце семестра студент должен набрать минимум баллов, необходимый
для допуска к сдаче экзамена. Подробно о видах оцениваемых работ и рубежных
значениях суммы баллов изложено в рейтинг-плане.
Итоговая оценка в каждом семестре выводится с учетом количества баллов,
набранных в ходе текущей работы.
Рейтинг планы, тесты, вопросы и задачи для контрольных, вопросы итогового контроля и экзаменационные билеты прилагаются к рабочей программе.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Перечень используемых информационных продуктов
При изучении дисциплины используются
 Технические средства аудитории с АСУ ПДС (компьютеры, мониторы, экраны).
 Программное обеспечение АСУ ПДС.
 Компьютерные программы:
 «GRADIENT» - для изучения градиентного метода на примере оптимизации
термодинамических параметров паротурбинных установок;
 «PNDmod», «PWDmod» - для оптимизации теплогидравлических характеристик регенеративных подогревателей низкого и высокого давления ТЭС;
 «KPD.mod» - для оптимизации термодинамических параметров паротурбинных установок;
 «TABL1», «TFS», «TFM» - для расчета свойств теплоносителей;
 Методические указания к выполнению к выполнению практических и лабораторных работ:
 О.Ю. Ромашова. Определение параметров пара в процессе расширения в
турбине с помощью ПЭВМ: МУ - Томск: Изд. ТПУ, 1997- 32 с.
 О.Ю. Ромашова. Индивидуальное задание по теме «Методы одномерной
минимизации» и методические указания к его выполнению: МУ - Томск:
Изд. ТПУ, 2003- 28 с.
стр. 10 из 11
Рабочая программа
учебной дисциплины
ТПУ 7.1-21/01
 О.Ю. Ромашова, А.В.Ти. Графическое исследование целевой функции на
математической модели ПТУ: МУ - Томск: Изд. ТПУ, 2004- 12 с.
 О.Ю. Ромашова. Использование методов одномерной минимизации для выбора оптимального диаметра паропроводов ТЭС: МУ - Томск: Изд. ТПУ,
2004- 28 с.
5.2. Перечень рекомендуемой литературы
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
5.2.1. Основная
А.В. Пантелеев, Т.А. Летова. Методы оптимизации в примерах и задачах.- М.:
Высш. шк., 2002.
Лесин В.В., Лисовец Ю.П. Основы методов оптимизации.- М.: Изд-во МАИ,
1995
Л.С.Попырин. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок.- М.: Энергия, 1978
А.Д.Качан. Оптимизация режимов и повышение эффективности работы паротурбинных установок ТЭС.- Минск: Вышэйшая школа, 1985
5.2.2. Дополнительная
В.Д. Ногин, И.О.Протодьяконов. Основы теории оптимизации : Учеб. пособие
для студентов втузов/ под ред. И.О.Протодьяконова.- М.: Высш. шк., 1986.
М. Аоки. Введение в методы оптимизации.- М. : Наука, 1977.
Т.Шуп. Решение инженерных задач на ЭВМ. - М.: Мир, 1982.
Л.И.Турчак. Основы численных методов. - М.: Наука, 1987.
А.И.Андрющенко, Р.З.Аминов. Оптимизация режимов работы и параметров
тепловых электростанций. - М.: Высшая школа, 1983.
Г.Б.Левенталь, Л.С. Попырин. Оптимизация теплоэнергетических установок./
Под ред.Стыриковича.- М.:Энергия, 1970.
В.В.Кафаров, В.П.Мешалкин, Л.В.Гурьева. Оптимизация теплообменных
процессов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.
В.М.Заварыкин, В.Г.Житомирский. Численные методы.- М.: Просвещение,
1990.
5.2.3. Вспомогательная
1. А.Е.Мудров. Численные методы для ПЭВМ на языках БЕЙСИК, ФОРТРАН
и ПАСКАЛЬ.
2. Д.В.Офицеров, В.А.Старых. Программирование в интегрированной среде
ТУРБО-ПАСКАЛЬ.
3. Доналд Алкок. Язык ПАСКАЛЬ в иллюстрациях.- М.: Мир, 1991.
Программу составил
к.т.н., доцент каф. АТЭС
_____________________ О.Ю. Ромашова
стр. 11 из 11